核反应堆的PRA应用

几十年来， PRA保证了美国反应堆机组的安全运行。

1、风险焦点

PRA(概率风险评估)的风险见解，从许多不同的角度提供了有用信息，从设施维护最重要内容到更好地理解如何解决有关安全问题。

支持创建和增强PRA模型的方法和工具，是通过几十年的研究建立的，从1975年出版的WASH-1400《反应堆安全研究》开始，到今天使用的综合工厂特定模型。

实践证明，PRA技术的使用，一直是实现工厂安全明显改善的关键因素。

在核能研究所最近的一项研究，分析了核电站PRA模型更新的数据，数据显示，在核电站过去30年运行中，平均堆芯损伤频率显著降低。

值得注意的是，这些安全性的改善，发生在平均发电厂容量系数从约70%增加到90%以上的一段时间内。

此外，使用PRA的风险焦点，是美国多个应用程序中使用的风险指引监管框架的重要组成部分，包括以下内容：

■ 维护规则程序，包括在线维护活动的电厂配置风险管理程序。

■使用风险指引方法更改工厂许可基础。

■ 通过风险评估确保工厂的总体基线安全。

■ 消防计划。

■ 风险管理技术规范，包括完成时间和监督频率控制程序。

■ 允许对使用风险指引分类过程的结构、系统和组件进行替代监管处理的程序。

由于PRA模型被用于支持广泛的工厂决策，现在被应用于分析工厂越来越多样化的方面，这远远超出了20世纪70年代设想的最初意图。

对PRA方法和工具的这些要求，导致了进一步扩大PRA使用的挑战，并提高了未来研究如何应对这些挑战以确保持续核安全的潜力。

除了PRA的需求外，计算机科学领域还带来了计算方法的进步，这些方法可能有助于核电站PRA的应用。这些新技术在提高PRA的有效性和经济性方面具有巨大潜力，目前正在探索其对PRA和核电界的潜在优势。

2、PRA类型

PRA是一个概念，而不是一种工具或方法。

PRA是一种风险评估方法，它依赖于定量风险建模，由额外的定性输入提供信息，用于评估当前设计或操作的风险，以及识别性能不足。

■ 传统的、经典的或遗留的PRA：这些是基于事件树的PRA，用于定义潜在的事故序列和概率，以及基于故障树的PRA，用于表示在事件树中遵循序列的分支点。

核电站传统PRA的结果是一组最小割集(即，将导致事故工况建模的组合)，反映了经历所分析工况的方式，对于核电站来说，这通常是堆芯损伤和裂变产物的大量早期释放。

术语“安全案例”有时与PRA混淆。安全案例是一种结构化的方法，依靠证据来证明系统是安全的。

虽然PRA不需要成为安全案例的一部分，但支持安全案例的证据通常采用PRA的形式。

研究表明，使用概率方法可以补充确定性方法，加强整体核安全方法。

■ 动态PRA：创建这些PRA通常是为了将定时信息捕获到通常的静态模型中。

动态PRA最初创建于20世纪70年代末和80年代初，随着时间的推移，已经扩展到将物理现象包括在场景建模中。

历史上，许多不同的方法被用来表示动态PRA，包括故障树和事件树随时间的扩展、基于图的模型、基于马尔可夫方法和各种模拟技术。

■ 计算风险评估(CRA)：这些模拟代表了场景的操作、时间、可能性和物理性。

CRA的输出包括场景信息，如物理参数(如堆芯温度和压力)、详细的时间历史、失败或成功的裕度，以及经历从成功到失败的各种结果的概率。

由于CRA可以提供丰富的信息，包括操作设施的物理信息，因此可以用于进行详细的工程设计、支持安全案例、识别重要的物理现象、不确定性量化和风险知情应用。

3、扩大风险评估和管理工具方面的挑战

人力可靠性分析中，建模的不同类型依赖关系说明。

通过努力接触一系列行业PRA用户，以确定当前PRA方法和工具的潜在问题，最终确定在及时有效的风险知情决策方面，哪些问题最为重要。

根据反馈，确定了几个挑战，这些挑战可能会阻碍基于当前PRA实践的PRA模型中风险的进一步使用：

■ 量化速度和效率。被引用最多的问题之一是，目前的PRA软件方法和工具需要数小时才能解决许多模型。

这源于模型的复杂性和细节的增加，需要更大的计算能力和内存。

一个例子，火灾概率风险评估模型所需的时间，量化可能长达几天。在过去的二十年里，解决PRA模型所需的漫长时间问题一直是一个持续的问题，需要进一步改进。

■ 相关性分析。另一个经常提到的问题是，如何表示依赖性以进行人力方面的可靠性分析。

通常，在PRA模型中，代表核心损伤的单个场景中可能存在多个人类行为。

然而，这些事件之间可能存在依赖关系，例如同一团队执行多个动作，或者执行不同活动之间共享的动作所需的时间。

目前的做法是在PRA模型中创建复杂的关系来寻找这些依赖关系，然后根据需要修改结果。

这些依赖关系模型不仅复杂且难以理解，而且会减慢分析速度，增加总体量化时间。

■ 模型开发、维护和更新。管理和更新PRA模型的过程大多是一项手动、劳动密集型和专业化的活动，在许多情况下，必须维护多个PRA模型，以代表不同的风险知情应用程序。

提供、管理和检查PRA模型的自动化方式，将有利于许多日常风险相关活动。

■ 风险集合。风险集合包括将PRA的不同要素相结合的活动，以开发见解和指标来支持决策。

风险集合在决策方面具有挑战性(例如，如何理解具有不同细节、置信度和不确定性水平的不同输入的含义)。

随着PRA模型扩展到多种类型的危险，包括内部火灾、外部洪水、管道破裂、大风和地震事件，并考虑单个危险(或危险组合)对具有多个机组和多个潜在放射释放源的现场的可能影响，适当比较总体集体风险，以及个人危险的贡献可能具有挑战性。

■ 不确定性分析。使用风险评估的一个好处是，能够解决我们理解状态中固有的不确定性。

大多数PRA模型包括明确纳入故障参数考虑的不确定性的能力，包括常见原因故障概率、故障率和启动事件频率。

然而，大多数PRA通过敏感性、边界评估、专家启发和其他方法，以不同的方式处理与物理现象相关的不确定性(成功标准、成功与失败之间的差距以及失败的因果机制)。

鉴于物理现象的不确定性可能会导致当前PRA的不确定性，改进方法以综合理解总体贡献至关重要。

■ 风险见解的沟通。商业核电站是复杂的，因此，其相关的PRA模型变得越来越复杂。

此外，创建、维护和部署PRA的过程需要高水平的专业知识和经验，这限制了风险洞察和结果驱动因素背后的沟通便利性。

此外，目前使用的计算机支持工具依赖于几十年前的基本可视化方法和理论。

PRA模型的结果及其影响的沟通，对于包括工厂经理和监管机构在内的广泛利益相关者进行有效决策至关重要。

这一点尤为关键，因为许多利益相关者和决策者都不是PRA理论细节方面的专家。因此，通过开发改进的方法来显示PRA的数据和结果，可以获得实质性的进步。

使用核管理委员会事故序列前体程序仪表板的可视化进行风险沟通的示例如下所示。

显示核管理委员会事故序列前体计划风险见解的示例仪表盘。

■ 新技术和现有模型的集成。现有的PRA方法依赖于一个框架，该框架主要在20世纪70年代开发的方法构建的。

随着新的先进技术的发展(例如，并行处理的使用、现象的多物理建模和模拟来捕捉时间)，需要考虑这些先进方法的集成和接受度，以增强当前的实践状态并继续促进创新。

4、研究需求和路线图

目前提出的挑战突出了需要研究的关键领域，提高PRA技术的技术能力和成本效益变得困难。

我们注意到，一些挑战可能在短期内(在未来一到两年内)难以解决。

尽管如此，我们相信，来自核工业界的风险研究，可以为当今具有挑战性的PRA问题带来改进和解决方案。

我们的研究机构一直在就一系列优先问题进行合作。

最近，在美国能源部轻水反应堆可持续发展计划和电力研究所的支持下，我们一直专注于三项近期研究活动：(1)支持决策的量化速度，(2)人力相关基本事件的依赖性建模，以及(3)多危险模型的集成。

5、量化速度

以堆芯损伤组合数量和相关堆芯损伤频率表示的核电站PRA输出。

PRA量化速度仍然是更高效使用这些模型，支持风险知情决策的最重大挑战。量化速度影响PRA如何使用、修改和检查的各个方面。

因此，在保持可接受的准确性水平的同时，减少量化时间的研究，可以为PRA社区和核工业带来最大的进步。

作为核电站PRA中复杂性类型的一个例子，见右图，随着通过将PRA模型量化截断水平降低到越来越小的值来捕获额外的细节，最小割集的数量(即，电厂可能经历堆芯损伤方式的不同组合)变得非常大，其中组合不被认为低于该频率水平。

有几个潜在的选项可以解决量化速度问题。一种选择是采用量身定制的、针对具体情况的方法来获得更高的截断值，从而减少量化时间。

另一种方法是更好地理解PRA结构的细节及其对量化时间的影响。

第三个潜在的选择是利用计算机科学对高性能计算的投资，并推进软件开发，以使用新方法解决PRA模型。

6、与人相关的基本事件的依赖性建模

人的可靠性分析建模是传统PRA中可接受和必需的元素，代表作为PRA场景一部分的人的行为。

然而，当多个人类行为出现在一个场景中(这种情况经常发生)时，就会面临重大挑战。

一个关键问题是，这些单独的事件如何通过时间相近的事件或依靠同一工厂员工完成多项所需任务等因素相互作用。

目前人类可靠性分析的方法，侧重于通过应用简单的“如果-那么”类型的规则来手动确定依赖程度。

这种方法是次优的，因为它可能不得不依赖于保守的假设，规则本身可能会变得复杂，外部评审员的审查可能会导致进一步的保守性和/或复杂性，这可能会也可能不会产生额外的见解。

与量化速度研究的情况类似，人类依赖问题有多种潜在的解决方案。

例如，一种方法可以是创建自动的基于规则的过程来识别和应用依赖因素。

另一种方法是，应用机器学习来寻找和应用依赖因素。

第三种方法是在可能的情况下将依赖关系模型直接移动到故障树或事件树中，从而完全绕过基于规则的方法。

7、多危险要素模型集成

PRA中的综合风险包括核电站内部和外部的几种不同类型的危险要素。

越来越多的人正在开发和使用多种危险模型来支持工厂的运营需求。

评估所有潜在危险所产生的风险，了解其个人行为在其中影响，并认识到哪些风险见解最适合解决，这对于正确实施风险知情决策至关重要。

然而，多危险模型的完全集成，在执行、维护和使用方面可能很麻烦。

此外，将风险见解汇总到单个输出中往往会导致额外的沟通挑战，而无法更好地了解各个PRA模型是如何集成的，以及是什么特定的组成部分、场景或不确定性导致了风险。

一项有用的研究活动，可以集中在如何更有效地将各种危险因素整合到现有的PRA模型中，而不会使原始模型过于复杂。

此外，这项研究与量化速度问题和相关研究有关，因为添加额外的元素有时会大大增加总体分析时间。

8、接下来方向

PRA为核工业提供了一种有效的工具，可以在运行核电站等复杂设施时管理风险。

然而，就PRA的使用扩展和风险知情决策改进方面的持续进展而言，这一过程并非没有挑战和限制。

通过行业从业者的反馈，我们在开发和使用风险知情应用程序的PRA时，确定了当前的问题并将其列为优先事项。

我们现在正在运用资源来调查和解决一些更令人烦恼的悬而未决的问题。

随着这些解决方案的创建，它们将被整合到当前和新的PRA方法中，用于进一步加强美国在风险技术方面的投资，同时继续确保核反应堆机组的安全。